Cabaran Aplikasi dan Pembangunan Komponen Grafit Bersalut TaC

Dalam konteks pertumbuhan wafer Silicon Carbide (SiC), bahan grafit tradisional dan komposit karbon-karbon yang digunakan dalam medan haba menghadapi cabaran yang ketara dalam menahan suasana kompleks pada 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Bahan-bahan ini bukan sahaja mempunyai jangka hayat yang singkat, memerlukan penggantian bahagian yang berbeza selepas satu hingga sepuluh kitaran relau, tetapi juga mengalami pemejalwapan dan pemeruapan pada suhu tinggi. Ini boleh menyebabkan pembentukan kemasukan karbon dan kecacatan kristal lain. Untuk memastikan pertumbuhan kristal semikonduktor berkualiti tinggi dan stabil sambil mempertimbangkan kos pengeluaran perindustrian, adalah penting untuk menyediakan salutan seramik suhu ultra tinggi dan tahan kakisan pada komponen grafit. Salutan ini memanjangkan jangka hayat bahagian grafit, menghalang penghijrahan bendasing, dan meningkatkan ketulenan kristal. Semasa pertumbuhan epitaxial SiC, asas grafit bersalut SiC biasanya digunakan untuk menyokong dan memanaskan substrat kristal tunggal. Walau bagaimanapun, jangka hayat asas ini masih memerlukan penambahbaikan, dan ia memerlukan pembersihan berkala untuk mengeluarkan deposit SiC daripada antara muka. Sebagai perbandingan, TantalumSalutan karbida (TaC).menawarkan rintangan unggul kepada atmosfera yang menghakis dan suhu tinggi, menjadikannya teknologi penting untuk mencapai pertumbuhan kristal SiC yang optimum.

Dengan takat lebur 3880°C,TaCmempamerkan kekuatan mekanikal yang tinggi, kekerasan, dan rintangan kejutan haba. Ia mengekalkan lengai kimia yang sangat baik dan kestabilan haba di bawah keadaan suhu tinggi yang melibatkan ammonia, hidrogen dan wap yang mengandungi silikon. Bahan grafit (komposit karbon-karbon) disalut denganTaCsangat menjanjikan sebagai pengganti grafit ketulenan tinggi tradisional, komponen bersalut pBN dan bersalut SiC. Selain itu, dalam bidang aeroangkasa,TaCmempunyai potensi besar untuk digunakan sebagai salutan tahan pengoksidaan dan tahan ablasi suhu tinggi, menawarkan prospek aplikasi yang luas. Walau bagaimanapun, mencapai padat, seragam, dan tidak mengelupasSalutan TaCpada permukaan grafit dan mempromosikan pengeluaran berskala perindustriannya memberikan beberapa cabaran. Memahami mekanisme perlindungan salutan, menginovasi proses pengeluaran dan bersaing dengan piawaian antarabangsa teratas adalah penting untuk pertumbuhan dan pembangunan epitaxial semikonduktor generasi ketiga.

Kesimpulannya, pembangunan dan penggunaan komponen grafit bersalut TaC adalah kritikal untuk memajukan teknologi pertumbuhan wafer SiC. Menangani cabaran dalamSalutan TaCpenyediaan dan perindustrian akan menjadi kunci untuk memastikan pertumbuhan kristal semikonduktor berkualiti tinggi dan meluaskan penggunaansalutan TaCdalam pelbagai aplikasi suhu tinggi.

1. Penggunaan Komponen Grafit Bersalut TaC

(1) Pisau, pemegang kristal benih dan tiub aliran masukPertumbuhan PVT bagi Kristal Tunggal SiC dan AlN

Semasa kaedah pengangkutan wap fizikal (PVT) untuk penyediaan SiC, kristal benih diletakkan dalam zon suhu yang agak rendah manakala bahan mentah SiC berada dalam zon suhu tinggi (melebihi 2400°C). Bahan mentah terurai untuk menghasilkan spesies gas (SiXCy), yang diangkut dari zon suhu tinggi ke zon suhu rendah di mana kristal benih terletak. Proses ini, yang merangkumi nukleasi dan pertumbuhan untuk membentuk kristal tunggal, memerlukan bahan medan haba seperti pijar, gelang aliran dan pemegang kristal benih yang tahan terhadap suhu tinggi dan tidak mencemarkan bahan mentah dan kristal SiC. Keperluan yang sama wujud untuk pertumbuhan kristal tunggal AlN, di mana elemen pemanasan mesti menahan wap Al dan kakisan N2 dan mempunyai suhu eutektik yang tinggi untuk memendekkan kitaran penyediaan kristal.

Kajian telah menunjukkan bahawa menggunakanBahan grafit bersalut TaCdalam medan haba untuk penyediaan SiC dan AlN menghasilkan kristal yang lebih bersih dengan lebih sedikit kekotoran karbon, oksigen dan nitrogen. Kecacatan tepi diminimumkan, dan kerintangan merentas kawasan berbeza berkurangan dengan ketara, bersama-sama dengan ketumpatan lubang mikro dan lubang goresan, meningkatkan kualiti kristal. Tambahan pula,TaCcrucible menunjukkan penurunan berat badan yang boleh diabaikan dan tiada kerosakan, membenarkan penggunaan semula (dengan jangka hayat sehingga 200 jam), meningkatkan kemampanan dan kecekapan penyediaan kristal tunggal.

(2) Pemanas dalam Pertumbuhan Lapisan Epitaxial MOCVD GaN

Pertumbuhan GaN MOCVD melibatkan penggunaan teknologi pemendapan wap kimia untuk mengembangkan filem nipis secara epitaxial. Ketepatan dan keseragaman suhu ruang menjadikan pemanas sebagai komponen penting. Ia mesti secara konsisten dan seragam memanaskan substrat dalam tempoh yang lama dan mengekalkan kestabilan pada suhu tinggi di bawah gas menghakis.

Untuk meningkatkan prestasi dan kebolehkitar semula pemanas sistem MOCVD GaN,Grafit bersalut TaCpemanas telah berjaya diperkenalkan. Berbanding dengan pemanas tradisional dengan salutan pBN, pemanas TaC menunjukkan prestasi yang setanding dalam struktur kristal, keseragaman ketebalan, kecacatan intrinsik, doping kekotoran dan tahap pencemaran. Kerintangan rendah dan emisiviti permukaanSalutan TaCmeningkatkan kecekapan dan keseragaman pemanas, mengurangkan penggunaan tenaga dan pelesapan haba. Keliangan boleh laras salutan meningkatkan lagi ciri sinaran pemanas dan memanjangkan jangka hayatnya, menjadikanGrafit bersalut TaCpemanas pilihan yang unggul untuk sistem pertumbuhan MOCVD GaN.

Rajah 2. (a) Gambar rajah skematik radas MOCVD untuk pertumbuhan epitaxial GaN

(b) Pemanas grafit bersalut TaC yang terbentuk dipasang dalam persediaan MOCVD, tidak termasuk tapak dan penyokong (inset menunjukkan tapak dan penyokong semasa pemanasan)

(c)Pemanas grafit bersalut TaC selepas 17 kitaran pertumbuhan epitaxial GaN

(3)Dulang Salutan Epitaxial (Pembawa Wafer)

Pembawa wafer ialah komponen struktur kritikal dalam penyediaan dan pertumbuhan epitaxial wafer semikonduktor generasi ketiga seperti SiC, AlN dan GaN. Kebanyakan pembawa wafer diperbuat daripada grafit dan disalut dengan SiC untuk menahan kakisan daripada gas proses, beroperasi dalam julat suhu 1100 hingga 1600°C. Keupayaan anti-karat salutan pelindung adalah penting untuk jangka hayat pembawa.

Penyelidikan menunjukkan bahawa kadar kakisan TaC adalah jauh lebih perlahan daripada SiC dalam persekitaran ammonia dan hidrogen suhu tinggi, menjadikanbersalut TaCdulang lebih serasi dengan proses GaN MOCVD biru dan menghalang pengenalan kekotoran. Prestasi LED berkembang menggunakanpembawa TaCadalah setanding dengan pembawa SiC tradisional, denganbersalut TaCdulang menunjukkan jangka hayat yang unggul.

Rajah 3. Dulang wafer yang digunakan dalam peralatan MOCVD (Veeco P75) untuk pertumbuhan epitaxial GaN. Dulang di sebelah kiri disalut dengan TaC, manakala dulang di sebelah kanan disalut dengan SiC

2. Cabaran dalam Komponen Grafit Bersalut TaC

Lekatan:Perbezaan pekali pengembangan haba antaraTaCdan bahan karbon menghasilkan kekuatan lekatan salutan yang rendah, menjadikannya terdedah kepada keretakan, keliangan dan tegasan terma, yang boleh membawa kepada spallation salutan di bawah atmosfera yang menghakis dan kitaran suhu berulang.

Kesucian: salutan TaCmesti mengekalkan ketulenan ultra tinggi untuk mengelak daripada memasukkan bendasing pada suhu tinggi. Piawaian untuk menilai karbon bebas dan kekotoran intrinsik dalam salutan perlu diwujudkan.

Kestabilan:Rintangan kepada suhu tinggi melebihi 2300°C dan atmosfera kimia adalah kritikal. Kecacatan seperti lubang jarum, retak, dan sempadan butiran kristal tunggal mudah terdedah kepada penyusupan gas menghakis, yang membawa kepada kegagalan salutan.

Rintangan Pengoksidaan:TaCmula mengoksida pada suhu melebihi 500°C, membentuk Ta2O5. Kadar pengoksidaan meningkat dengan suhu dan kepekatan oksigen, bermula dari sempadan butiran dan butiran kecil, yang membawa kepada degradasi salutan yang ketara dan akhirnya spallation.

Keseragaman dan Kekasaran: Pengagihan salutan yang tidak konsisten boleh menyebabkan tekanan haba setempat, meningkatkan risiko keretakan dan spallation. Kekasaran permukaan menjejaskan interaksi dengan persekitaran luaran, dengan kekasaran yang lebih tinggi membawa kepada peningkatan geseran dan medan terma yang tidak sekata.

Saiz bijirin:Saiz butiran yang seragam meningkatkan kestabilan salutan, manakala butiran yang lebih kecil terdedah kepada pengoksidaan dan kakisan, yang membawa kepada peningkatan keliangan dan pengurangan perlindungan. Bijirin yang lebih besar boleh menyebabkan percikan akibat tekanan haba.

3. Kesimpulan dan Pandangan

Komponen grafit bersalut TaC mempunyai permintaan pasaran yang ketara dan prospek aplikasi yang luas. Pengeluaran arus perdana bagisalutan TaCkini bergantung pada komponen CVD TaC, tetapi kos tinggi dan kecekapan pemendapan terhad peralatan CVD belum lagi menggantikan bahan grafit bersalut SiC tradisional. Kaedah pensinteran boleh mengurangkan kos bahan mentah dengan berkesan dan menampung bentuk grafit yang kompleks, memenuhi keperluan aplikasi yang pelbagai. Syarikat seperti AFTech, CGT Carbon GmbH dan Toyo Tanso telah matangSalutan TaCmemproses dan menguasai pasaran.

Di China, pembangunanKomponen grafit bersalut TaCmasih dalam peringkat percubaan dan perindustrian awal. Untuk memajukan industri, mengoptimumkan kaedah penyediaan semasa, meneroka proses salutan TaC berkualiti tinggi baharu dan pemahamanSalutan TaCmekanisme perlindungan dan mod kegagalan adalah penting. MengembangkanAplikasi salutan TaCmemerlukan inovasi berterusan daripada institusi penyelidikan dan syarikat. Apabila pasaran semikonduktor generasi ketiga domestik berkembang, permintaan untuk salutan berprestasi tinggi akan meningkat, menjadikan alternatif domestik sebagai trend industri masa depan.**